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第9章 雨和雪(1)

一、雨雪何处来

雨和雪都是一种降水现象,霰和雹也是降水现象。雨是液态的水汽凝结物,雪是固态的水汽凝结物,都是从云中下降至地面的降落物。雨和雪虽然都是来自云中的降水现象,但是有云并不等于就一定产生降水。因为,由水滴或冰晶组成的云滴一般很小。例如,一滴半径1毫米的雨滴,约等于100万个半径10微米的云滴。这样小的云滴,很难克服空气的阻力和上升气流的顶托。只有当云滴增长到足够大的时候,才能克服下降的困难,形成降水。同时,降水过程中水滴还可能被蒸发,只有水滴大到不至于被蒸发掉的程度,降水才能达到地面。

云滴的增长,是由于云外有水汽不断输入云内,使云内空气的水汽压大于云滴的饱和水汽压,这时空气中的水汽就会附着到云滴上,使云滴增长,称为云滴的凝结(凝华)增长过程。如果云内水汽减少,凝结增长就会停止。在云滴下降过程中,大云滴下降速度快,小云滴下降速度慢,在下降过程中大云滴就会追上小云滴,相互碰撞而粘附在一起,成为较大的云滴,而大小云滴被上升气流上带的时候,小云滴也会追上大云滴,碰撞合并成为更大的云滴的冲并增长过程。

当云内温度在0℃以上,云块完全由水滴组成,水滴增大到具有下降速度时,降落到地面的是雨,如果云内温度在0℃以下,而云块下层气温在0℃以上,从云内下降的虽然是冰晶或雪花或小冰雹,也可以能在下降途中融化成雨滴下落到达地面。

当云内温度在0℃以下,云块下层气温也在0℃以下,云内水晶不断凝华增大,形成的雪花,可以一直降落到地面。雪花的形态多如牛毛,有柱状、星状枝叉形、菱形和针形及片状等等种类,但基本形状是六角形。为什么不是五角形、四角形呢?这是因为冰晶的分子以六角形为基础,水汽在冰晶上凝华,形成雪花,也就以六角形为基础。至于雪花的各种形状,则与它在形成时的温度及水汽条件有关系。

二、雨的类型

1.对流雨

大气对流运动引起的降水现象,习惯上也称为对流雨。近地面层空气受热或高层空气强烈降温,促使低层空气上升,水汽冷却凝结,就会形成对流雨,对流雨一般在积状云中产生。对流雨来临前常有大风,强大风可拔起直径50厘米的大树,并伴有闪电和雷声,有时还下冰雹。

对流雨主要产生在积雨云中,积雨云内冰晶和水滴共存,云的垂直厚度和水汽含量特别大,气流升降都十分强烈,可达20米/秒~30米/秒,云中带有电荷,所以积雨云常发展成强对流天气,产生大暴雨,雷击事件,大风拔木,暴雨成灾常发生在这种雷暴雨中。

淡积云云层薄,含水量少,一般没有雨落到地面。浓积云在中高纬度地区很少降水,但是在低纬度地区,因为含水量丰富,对流强烈,有时可以产生降水。

对流雨以低纬度最多,降水时间一般在午后,特别是在赤道地区,降水时间非常准确。早晨天空晴朗,随着太阳升起,天空积云逐渐形成并很快发展,越积越厚,到了午后,积雨云汹涌澎湃,天气闷热难熬,大风掠过,雷电交加,暴雨倾盆而下,降水延续到黄昏时停止,雨后天晴,天气稍觉凉爽,但是第二天,又重复有雷阵雨出现。印度尼西亚的茂物,一年中雷雨达320天。在中高纬度,对流雨主要出现在夏季半年,冬半年极为少见。

2.地形雨

气流沿山坡被迫抬升引起的降水现象,称地形雨。地形雨常发生在迎风坡。在暖湿气流过山时,如果大气处于不稳定状态,也可以产生对流,形成积状云;如果气流过山时的上升运动,同山坡前的热力对流结合在一起,积云就会发展成积雨云,形成对流性降水。

在锋面移动过程中,如果其前进方向有山脉阻拦,锋面移动速度就会减慢,降水区域扩大,降水强度增强,降水时间延长,形成连阴雨天气,持续可在10~15天以上。

在世界上,最多雨的地方,常常发生在山地的迎风坡,称为雨坡;背风坡降水量很少,成为干坡或称为“雨影”地区。如挪威斯堪的那维亚山地西坡迎风,降水量达1000~2000毫米,背风坡只有300毫米。又如,我国台湾山脉的北、东、南都迎风,降水都比较多,年降雨量2000毫米以上,台北火烧寮达8408毫米,成为我国降水量最多的地方。一到西侧就成为雨影地区,降水量减少到1000毫米左右,夏威夷群岛的考爱岛,迎风坡年降水量12040毫米。印度的乞拉朋齐年降水量11418毫米,也是因为位于喜马拉雅山南麓的缘故。

3.锋面雨

锋面活动时,暖湿空气中上升冷却凝结而引起的降水现象,称锋面雨。锋面常与气旋相伴而生,所以又把锋面雨称为气旋雨。锋面有系统性的云系,但是并不是每一种云都能产生降水的。

锋面雨主要产生在雨层中,在锋面云系中雨层云最厚,又是一种冷暖空气交接而成的混合云,其上部为冰晶,下部为水滴,中部常常冰水共存,能很快引起冲并作用,因为云的厚度大,云滴在冲并过程中经过的途程长,有利于云滴增大,雨层云的底部离地面近,雨滴在下降过程中不易被蒸发,很有利于形成降水。雨层越厚,云底距离地面越近,降水就越强。

高层云也可以产生降水,但卷层云一般是不降水的。因为卷层云云体较薄,云底距离地面远,含水量又少,即使有雨滴下落,也不易达到地面。

锋面降水的特点是:水平范围大,常常形成沿锋面产生大范围的呈带状分布的降水区域,称为降水带。随着锋面平均位置的季节移动,降水带的位置也移动。例如,我国从冬季到夏季,降水带的位置逐渐向北移动,5月份在华南,6月上旬到南岭-武夷山一线,6月下旬到长江一线,7月到淮河,8月到华北,从夏季到冬季,则向南移动,在8月下旬从东北华北开始向南撤,9月即可到华南沿海,所以南撤比北进快得多。

锋面降水的另一个特点是持续时间长,因为层状云上升速度小,含水量和降水强度都比较小,有些纯粹的水成云很少发生降水,有降水发生也是毛毛雨。但是,锋面降水持续时间长,短则几天,长则10天半个月以上,有时长达1个月以上,“清明时节雨纷纷”,就是我国江南春季的锋面降水现象的准确而恰当的描述。

4.台风雨

台风活动带来的降水现象,称为台风雨。台风不但带来大风,而且相伴发生降水。台风云系有一定规律,台风中的降水分布在海洋上也很有规律,但是在台风登陆后,由于地形摩擦作用,就不那么有规律了。例如风中有上升气流的整个涡旋区,都有降水存在,但是以上升运动最强的云墙区降水量最大,螺旋云带中降水量已经减少,有时也形成暴雨,台风眼区气流下沉,一般没有降水。

台风区内水汽充足,上升运动强烈,降水量常常很大,台风到来,日降水量平均在800毫米以上,强度很大,多属阵性,台风登陆常常产生暴雨,少则200~300毫米,多则在1000毫米以上。我国台湾新寮在1967年11月17日,由于6721号台风影响,一天降水量达1672毫米,两天总降水量达2259毫米,台风登陆后,若维持时间较长,或由于地形作用,或与冷空气结合,都能产生大暴雨。我国东南沿海,是台风登陆的主要地区,台风雨所占比重相当大。

5.小雨、中雨、大雨和暴雨

降水量是在假定没有渗漏、蒸发和流失等情况下,一定时间内降落到地面的全部降水所累积的水层深度,以毫米为单位,降水量有时也称为雨量。单位时间内的降水量称为降水强度,常以10分钟、1小时或24小时(1日)作为时间单位。我国按降水强度,将降水情况分为小雨、中雨、大雨和暴雨四级。

三、地球上的多雨带

整个地球表面的降水量分布,与两个因素有关:一是大气中水汽的多少,二是大气中上升运动的有无和强弱。因此,从总的情况来说,降水量是从赤道向两极减少的,但是温带地区也有一个次多雨季存在。

在赤道地区海洋广阔,陆地如亚马逊河流域、扎伊尔河流域和印度尼西亚等地,又分布着广阔的热带雨林,气温又高,蒸发强烈,大气中水分含量充足,对流上升运动发展旺盛,因此形成为降水量最多的地带。年降水量一般为1000~2000毫米以上,太平洋的一些岛屿上可达5000~6000毫米。

从赤道向两极降水量渐渐减少,在南、北纬度约15°~30°的热带和亚热带地区,由于下沉运动占优势,不利于云雨形成,降水量达到最小值,一般不到500毫米。地球上的沙漠多数都分布在这个地带。

在温带是锋面气旋活动频繁的地方,暖空气沿锋面上升,降水又有增加,年降水量可达500~1000毫米,成为地球上第二个多雨带。

到两极地区,温度低,水汽少,降水量显著减少,而且主要是降雪,极地也是地球上的少雨带。

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